白洞真实存在吗（什么是白洞，它们真的存在吗？）

在我们的宇宙中，物理定律告诉我们可以想象存在的所有可能性，但只有通过实际观察、测量和试验我们的宇宙本身，我们才能确定什么是真正真实的。在爱因斯坦的广义相对论中，最早被发现的可能性之一是黑洞：一个空间区域，在一个地方有如此多的物质和能量，以至于在这个体积内，任何东西，甚至光，都不可能逃脱。它的另一面是一个同样可能的数学解决方案，它与黑洞相反：一个白洞，物质和能量将从中自发出现。

通过许多不同类型的观测，黑洞不仅在物理上是真实的，而且在整个宇宙中都非常丰富。白洞呢？它们是什么，它们在物理上也是真实的吗？这就是 Kristin Houser 想知道的，她问道：

“[我] 偶然看到一篇关于白洞的博客文章，想知道你是否写过关于它们的文章？[…] 我敢打赌你写的任何东西都会比谷歌第一页上显示的要好得多。”

这是有史以来最令人着迷的可能性之一。让我们深入了解一下我们所知道的一切。

当物质坍缩时，它不可避免地会形成黑洞。罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose) 是第一个研究出时空物理学的人，适用于空间中所有点和所有时刻的所有观察者，它支配着这样一个系统。从那以后，他的概念一直是广义相对论的黄金标准。

如果你从更熟悉的对应物：黑洞开始，白洞的概念就更有意义了。约翰·米歇尔 ( John Michell )在 18 世纪首先想到，他称它们为“暗星”，人们意识到，正如宇宙中的所有质量都具有从其表面逃逸的“逃逸速度”——即，必须有一定的速度达到完全逃脱其引力——如果足够多的质量聚集在足够小的体积中，逃逸速度将达到或超过光速。由于没有什么能比那个速度移动得更快，这些物体只会吸收光和物质，而绝不会从一定距离内发射任何光和物质：它的事件视界。

最初的想法是在牛顿引力的背景下提出的，但在 1915 年，爱因斯坦的广义相对论发布，取代了牛顿并用更全面的万有引力定律取而代之。尽管如此，黑洞仍然存在：早在 1916 年，它们就出现在爱因斯坦的理论中，并且还发现了具有电荷和角动量（即自旋）以及质量的黑洞版本。再一次，如果空间的一个区域有足够的质量，黑洞的产生几乎是不可避免的。

事件视界望远镜 (EHT) 合作拍摄的两个黑洞的大小比较：位于梅西耶 87 星系中心的 M87* 和位于银河系中心的人马座 A* (Sgr A*)。虽然 Messier 87 的黑洞由于时间变化缓慢而更容易成像，但从地球上看，银河系中心周围的黑洞是最大的。

根据相对论，黑洞事件视界内必须发生的一件引人入胜的事情就是奇点的形成。奇点——有时被开玩笑地称为“上帝除以零”的地方——是物理定律失效的地方。在黑洞的情况下，描述空间和时间的规则不再适用；就好像在那个位置，对于您可以向系统提出的任何物理问题的答案，您除了胡说八道之外什么也得不到。

无论黑洞形成之前的初始物质和能量配置如何，一旦该物质坍塌并形成事件视界，就无法避免奇点的产生。如果你的黑洞只有质量，那么奇点将是一个点，被球形事件视界包围。如果你的黑洞也有角动量（即，如果它自旋），那么奇点就会被涂抹成一个一维环：而且，物理定律仍然在那个环上到处失效，再次对任何问题给出无意义的答案涉及时间或空间。

然而，即使它们本身不发光，它们对物质的影响——从双星伴星到坠落的气体和物质，再到被黑洞引力弯曲和扭曲的光子——几十年来已经揭示了它们的存在，最终达到了顶峰几年前，对围绕黑洞事件视界本身弯曲的光进行了直接成像。

在 Schwarzschild 黑洞的事件视界内外，空间流动要么像移动的人行道，要么像瀑布，这取决于你想如何想象它。但在事件视界内，空间流动的速度超过了任何量子粒子的传播速度：光速。结果，所有向外的力都不会向外移动，而是被向内拉向中心奇点。如果你倒转时间，一切都会倒流，给你一个白洞。

那么，如果那是一个黑洞，那么什么是白洞呢？

有两种方法来看待它。一种是简单地认识到广义相对论是一个时间对称理论：如果你观察一个物质和能量系统随着时间的推移在空间结构中运动，你无法判断时钟是向前运行还是向后运行。广义相对论的预测在时间上是对称的，这意味着物体在两种情况下都根据相同的定律移动、加速和相互作用。

这甚至适用于离奇的案例。两个黑洞以衰变的方式相互绕转并发射引力波，遵循与两个黑洞相同的物理规则，两个黑洞相互绕转并从周围环境吸收引力波，随着时间的推移越来越远。一团收缩成团块并最终形成恒星的收缩物质云遵循与一系列膨胀的物质团块相同的规则，这些物质团块远离它们的起源点并扩散成一个大而蓬松的云。

坍缩形成事件视界然后形成奇点（即黑洞）的物质遵循与出现物质和能量以及空间和时间的奇点完全相同的规则。考虑时间反转黑洞的情况是构想白洞的一种有效方式。

正如位于球面镜外部的整个宇宙将被编码在镜面的反射上一样，黑洞内部发生的事情也有可能在内部编码一个全新的宇宙。这也可能与我们的宇宙有关。

另一种思考白洞的方法不是反转时间箭头，而是思考如果将空间视为可逆的会发生什么。在你挠头想知道这样的事情怎么可能之前，请注意我们在现实世界中有一个类似的东西：一个球形的镜面球体。如果你要在太空中放置一面球面镜，只需从正确的角度看镜子，你就能看到整个外部宇宙在其中的倒影。

好吧，黑洞事件视界内外的时空表现与这种情况非常相似。如果你考虑一个仅由点质量定义的黑洞——即 Schwarzschild 黑洞——那么对于黑洞具有的任何质量/能量值，我们还可以定义一个特定的半径（我们称之为“ R ”）黑洞的事件视界。

你可以在距黑洞任意距离处提出关于“空间如何运作”的各种问题，我们可以将该距离称为“ r ”。现在分三种情况：

1. r > R，这将我们置于事件视界之外。
2. r = R，这将我们置于事件视界。
3. 并且r < R，这将我们置于事件视界内。

一个点质量的严重弯曲时空的图示，对应于位于黑洞事件视界之外的物理场景。随着你越来越接近质量在时空中的位置，空间变得更加弯曲，最终导致一个连光都无法逃脱的位置：事件视界。该位置的半径仅由黑洞的质量、电荷和角动量、光速以及广义相对论定律决定。非常值得注意的是，如果将“r/R”替换为它的倒数“R/r”，则可以将黑洞的内部映射到外部，反之亦然，将黑洞的解决方案转换为黑洞的解决方案白洞。

现在，这是棘手的部分：反转空间。我们所要做的就是用它相对于事件视界的倒数替换r，无论我们在哪里看到它：ℛ，我们可以将其定义为 ℛ = R² / r。

值得注意的是，我们现在有同样的三个案例，但一切都颠倒了！

1. ℛ > R，这将我们置于事件视界内，
2. ℛ = R，这将我们置于事件视界，
3. 和 ℛ < R，这将我们置于事件视界之外。

尽管现在这与黑洞的条件相反，但描述空间和时间的方程对于这两种情况都是相同的。

那么，这意味着如果我们假设一个黑洞被“翻转”了，那么黑洞事件视界内部的每个点（包括它在r = 0 处的奇点）现在都对应于黑洞事件视界外部的一个点黑洞的事件视界（现在奇点在r = ∞ 处无处不在），反之亦然——我们恢复了相同的行为。唯一的区别是外面的现在是里面的，里面的现在是外面的；它只是颠倒了。这个“翻转”的物体现在可以被认为是一个白洞，而不是黑洞。

当观察者进入一个不旋转的黑洞时，无法逃脱：你会被中心奇点压垮。然而，在一个旋转的（克尔）黑洞中，穿过以环奇点为界的圆盘中心可能是，而且实际上可能是通往新“反宇宙”的门户，那里的事物具有与我们自己的性质截然不同的性质，已知宇宙。这可能意味着一个宇宙中的黑洞与另一个宇宙中由白洞驱动的诞生之间存在联系。

物理学家经常想知道的问题之一是：当某物穿过黑洞事件视界的另一侧（即内部）时，它会去哪里？当然，你可以简单地说，“它进入了黑洞的中心奇点”，但这是一个令人不满意的答案，尤其是因为我们知道物理定律在那个奇点处失效。

人们经常考虑的一种可能性是，奇点可能不仅仅是事物落入事件视界后“去向”的点，也可能同样是事物“出现”的点。与其简单地成为物质故事的“结局”，不如成为一个新的、不同的故事的“开始”。

换句话说，完全有可能发生与在特定时间和地点出现的大量物质和能量相对应的事件，这些事件似乎也与奇点相对应。我们的宇宙不仅可能有黑洞，也可能有白洞：事物似乎从初始奇点开始的地方。物理学家并没有忘记，在许多方面，这似乎对应于 138 亿年前发生的一个非凡事件：热大爆炸。

在不断膨胀的宇宙背景下，从大爆炸到现在，我们的宇宙历史图解。尽管许多人争论不休，但我们不能确定宇宙是从一个奇点开始的。然而，就像黑洞在奇点“结束”一样，我们的宇宙及其引发热大爆炸的膨胀状态也有可能从白洞奇点中出现。

这带来了一种有趣的可能性，即黑洞与新宇宙的出现之间存在联系。每当我们的宇宙形成一个新的黑洞时，是否有一个婴儿宇宙出现，类似于一个白洞，位于奇点另一边的某个地方？

这是否也意味着我们的宇宙和我们自己的热大爆炸是从一个与白洞没有太大区别的状态中出现的，这是否可能是由先前的宇宙形成黑洞引起的，而我们的出现是黑洞的后果？

有一个有趣的计算，只需一点点努力就可以完成，这表明这个想法可能是一个值得认真对待的想法。如果你把可观测宇宙中的所有物质和辐射加起来——所有的原子、所有的黑洞、所有的暗物质、所有的光子和所有的中微子——你会得到一个有效“质量”的值的可观测宇宙。（毕竟，如果爱因斯坦最著名的方程式告诉我们E = mc²，那么m = E/c²也是正确的，所以我们可以为所有拥有能量的事物得出一个质量当量值。）如果你想象所有这些质量都用来创造一个黑洞，你可以计算出一个黑洞的预期半径是多少黑洞的事件视界与我们可观察到的宇宙内部的质量相当。

当黑洞形成时，一个推测但壮观的想法是它会诞生一个新的婴儿宇宙。如果真是这样，它可能会为我们自己的宇宙起源提供新的线索，并对我们的宇宙随后形成的黑洞内部可能发生的事情产生有趣的影响。我们自己的可观测宇宙中有足够的物质和能量，如果我们用该值的质量当量来计算事件视界的大小，它的半径将是 165 亿光年：大约是实际测量值的三分之一价值。

你得到的答案是“黑洞的视界有多大，其质量相当于可观测宇宙中所有物质和辐射的质量？” 是一个了不起的数字：大约 165 亿光年。这大约是可观测宇宙边缘实际半径的三分之一：461 亿光年。事实上，如果不是因为暗能量的存在——如果我们有更多的正常物质、暗物质、中微子或光子来代替暗能量——这两个值实际上会相等。

尽管我们没有观察到宇宙中存在白洞的任何证据，但我们发生过大爆炸和宇宙中存在黑洞这一事实与宇宙中存在“白洞”的想法是完全一致的曾经创造的每个黑洞的另一端。

事实上，深入到杂草中，如果你问当你落入旋转黑洞的外部事件视界时会发生什么，事实证明你所经历的看起来非常像我们认为我们的宇宙在热大爆炸的开始：指数膨胀的时期，非常类似于我们今天所知的宇宙膨胀。

从黑洞外部，所有坠入的物质都会发光并始终可见，而事件视界后面的任何物质都无法逃脱。但如果你是掉入黑洞的那个人，你的能量可能会重新出现，成为新生宇宙中热大爆炸的一部分。

但是白洞真的存在吗？事实上，我们从未见过，也不期望在我们的宇宙中找到它。不幸的是，事件视界非常擅长“隐藏”在它们另一侧发生的任何其他事情。在我们宇宙中每个黑洞的中心位置可能有一些非常有趣的东西，但我们永远无法访问它们。在宇宙膨胀及其后果开始之前，我们的宇宙诞生时可能发生了一些非常有趣的事情：热大爆炸，但我们无法获得关于那个时间的任何信息。

一个清醒的事实是，尽管我们可能对此深恶痛绝，但宇宙中存在的信息量是有限的，这使我们无法重建这些事件“另一端”正在发生的事情（或正在发生的事情）。值得记住的是，广义相对论承认白洞与黑洞的可能性相同，但在我们的宇宙中只发现了黑洞的观测证据。虽然数学可以告诉您可能发生的事情的可能性，但只有观察、测量和实验可以告诉您宇宙中确实发生了什么。白洞仍然是一种有趣的可能性，但目前，它们的存在充其量只能说是推测性的。